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        磁芯的磁化及形狀


        來源:電子材料圈     更新:2017-03-11     瀏覽:11597
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        1.材料的磁化

        燒結后的鐵氧體是由小的晶體組成,這種晶體的大小一般在10~20μm的范圍內,磁疇就是存在于這些晶體之中。

        在沒有外磁場作用時,這些磁疇排列的方向是雜亂無章的,如附圖13a)所示,小磁疇間的磁場是相互抵銷的,對外不呈現磁性。當一個外加磁場(H)作用于該材料時,磁疇順著磁場方向轉動,加強了鐵氧體內的磁場。隨著外磁場的加強,轉到外磁場方向的磁疇就越來越多,與外磁場同向的磁感應強度就越強,如附圖13b)所示。這就是說材料被磁化了。

        在這個磁化過程中,磁疇重新排列必須克服能量勢壘,因此,磁化總是滯后于磁場。所謂的“磁滯回線”(見附圖11),就是這種現象的結果。如果對磁化的抵抗并不是很強時,一個特定的磁場強度將會產生很大的感應磁場,鐵氧體的磁導率很高。磁滯回線的形狀對鐵氧體的其他性能有著很強的影響,如磁損。

        2.磁芯的形狀

        鐵氧體磁芯有許多不同的形狀,如附圖14所示。這些形狀各異的磁芯各有其特點,適用于制作各種磁性元件。

        1)磁環磁芯。從磁的角度而言,磁環也許是最佳選擇,因為磁環的磁路是一個封閉的形狀,因此鐵氧體的性能可以最為充分地發揮出來。尤其是對于高磁導率的鐵氧體材料,哪怕是一點點氣隙都會使得磁導率顯著下降。磁環主要應用于脈沖變壓器、磁放大器、干擾抑制線圈(共模電感)等場合。磁環在特定功率處理能力下是最便宜的磁性元件之一,但是磁環的繞制卻是最困難的。

        2)罐型磁芯。罐型磁芯最初是為通信濾波電感而設計的,磁芯幾乎包圍了所有的線包和骨架,這種結構很好地屏蔽了外部的電磁噪聲(EMI)。罐型磁芯的成本要高于其他形狀的磁芯,此外其散熱性能較差,所以至今還沒有適用于大功率場合的產品。

        3E型磁芯。E型磁芯較罐型磁芯便宜,易于繞制,安裝方便。E型磁芯的骨架有立式和臥式兩種,立式骨架占用PCB板面積較小但高度很大,臥式骨架正好相反。E型成為最為常用的磁芯形狀??梢哉fEE型磁芯和EI型磁芯具有相同的外形,相同的尺寸,相同的骨架,僅僅在漏磁場分布存在差異,適用于制作開關電源變壓器。

        4EC磁芯。EC磁芯介于E型與罐型之間,窗口面積較大(較罐型磁芯而言),有風道,利于散熱。相同面積下圓形中心柱的周長比方形中心柱省11%,減少了銅損,并且繞制的時候圓形要比方形方便。

        5PQ磁芯。PQ磁芯主要是為開關電源設計的,能在最小的磁心尺寸下獲得最大的電感量和線包面積,因此這種磁芯能在最小的高度與體積情況下輸出最大的功率。

        6)其他外形磁芯。

        3.磁芯加氣隙

        由于鐵氧體磁芯的磁導率一般都很高,稍加激勵就容易產生磁飽和,所以在開關電源中通常通過加氣隙的辦法來降低有效磁導率,使得電感能夠儲存更多的能量。電感儲能有如下關系式:

        式中L為電感量,I為電感電流,B為磁感應強度,Ve為磁芯有效體積,μ0為真空磁導率,μr為有效相對磁導率。

        氣隙的引入勢必增強電感的漏磁場分布。磁性元件的漏磁場一般可分為外部漏磁場和內部漏磁場,它們主要是由漏磁通路的長度和磁動勢決定的。由于內部漏磁場穿過線圈會引起額外的渦流損耗,而外部漏磁場能夠產生EMI,對附近的元件產生影響,所以氣隙的引入在某種程度上惡化了電感的工作狀態。

        一般的說,共有五種增加氣隙的方法:第一種方法是在磁芯中間墊上一層非磁物質,這樣就相當于把氣隙分為相等的兩部分,第二種方法是通過研磨中心術強行在磁路中插入氣隙;第三種方法主要是針對鐵氧體磁環而言,由于磁環的特殊結構(既不能研磨又不能分離)只有通過切割的辦法來插入氣隙;第四種方法就是常用的磁棒;第五種方法是在磁芯加工的時候完成的,也就是常說的金屬磁粉芯,包括鐵粉芯、鐵硅鋁、鐵鎳鉬、高磁能磁粉芯等。事實上,上述五種增加氣隙的方法中,前三種可由設計者決定,后兩種則決定于生產商,設計者只是通過相應的數據手冊來選擇適合自已的產品。

        墊氣隙的方法將氣隙分為兩個相同但是更小的氣隙,并且每個氣隙所承受的磁動勢近似為二分之一的總安匝數。而研磨的方法把氣隙集中在一處,所以這種方法漏磁場的幅值近似為墊氣隙的兩倍。此外,由于大氣隙的緣故,它的邊緣磁場穿過線圈的面積也越大,因此這種情況下的銅損要比墊氣隙情況下的銅損要大。

        當用銅皮繞制電感的時候,這種影響就更加嚴重了,因為邊緣磁場具有很大的垂直分量,該分量垂直于線圈軸,也就是說垂直于銅皮的表面。

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